Octopus Intelligence wirft Licht auf die Evolution komplexer Gehirne

Kraken haben sowohl ein zentrales Gehirn als auch ein peripheres Nervensystem – eines, das unabhängig agieren kann. [Nir Friedman]

Die Begegnung mit einem Oktopus kommt in vielerlei Hinsicht der Begegnung mit interplanetaren Außerirdischen am nächsten. Doch neue Forschungsergebnisse zeigen, dass ihre Gehirne einige verblüffende Gemeinsamkeiten mit denen des Menschen aufweisen – vielleicht am bemerkenswertesten im Hinblick auf microRNA (miRNA) und die Rolle, die sie bei der Gehirnentwicklung spielt. miRNA könnte für die Entwicklung komplexer Gehirne von entscheidender Bedeutung sein.

„Komplexe Gehirne mit höheren kognitiven Merkmalen haben sich nur bei Wirbeltieren entwickelt … mit einer Ausnahme: Weichkörper-Kopffüßer, zum Beispiel Kraken“, bemerkt Nikolaus Rajewsky, PhD, wissenschaftlicher Direktor des Berliner Instituts für Medizinische Systembiologie des Max-Delbrück-Centrums (MDC). BIMSB) und Leiter des Labors für Systembiologie genregulatorischer Elemente. „Das ist wichtig, weil sich das Oktopusgehirn völlig unabhängig vom komplexen Säugetiergehirn entwickelt hat.“

Rajewsky begann seine Forschung, nachdem er wissenschaftliche Literatur gelesen hatte, in der er feststellte, dass Kraken geschickt in der RNA-Bearbeitung sind. Er stellte die Hypothese auf, dass der Oktopus möglicherweise daher ein „RNA-Künstler“ ist und andere RNA-basierte Mechanismen entwickelt hat. „Es wäre interessant, diese Mechanismen zu identifizieren – nicht nur, um die Entwicklung von Oktopussen besser zu verstehen, sondern auch, um möglicherweise neue Werkzeuge für RNA-Anwendungen beim Menschen zu nutzen“, sagt Rajewsky.

Er untersuchte Boten-RNAs, nichtkodierende RNAs und insbesondere kleine RNAs in 18 verschiedenen Gewebetypen verstorbener Kraken. Während sich die RNA-Bearbeitung als weniger interessant herausstellte, da die Bearbeitungsstellen nicht auf wichtige Stellen abgebildet wurden, entdeckten die Forscher 42 neue miRNA-Familien im Nervengewebe – hauptsächlich im Gehirn.

Die 42 miRNA-Familien, die Rajewsky und sein Team identifiziert haben, werden nicht mit Menschen geteilt. Tatsächlich war der jüngste gemeinsame Vorfahre von Kraken und Menschen ein primitiver Plattwurm, der vor etwa 750 Millionen Jahren lebte. Diese Gene wurden während der Evolution des Oktopus konserviert und sind daher wahrscheinlich von Vorteil. Nun stellt sich die Frage, welche Vorteile sie genau bieten.

Kraken sind neugierige Kreaturen mit einer erfinderischen Denkweise, die sich in ihrer Fähigkeit zeigt, sich zu tarnen und zu schützen, indem sie geöffnete Muscheln zum Schutz oder als Projektile verwenden und sie für den späteren Gebrauch sammeln und aufbewahren, sowie durch ihre bekannten Tarnfähigkeiten. Sie erinnern sich auch an Menschen und Dinge und haben unterschiedliche Vorlieben. Ein Team brasilianischer Forscher glaubt, dass sie vielleicht sogar träumen.

Einige Forscher haben berichtet, dass sie sich nicht durch Snacks motivieren lassen (wie andere Tiere). Wie Rajewsky betont: „Sie haben Persönlichkeiten, also merken sie – nur vielleicht –, dass man versucht, sie mit Essen zu belohnen, und dass sie es nicht mögen, manipuliert zu werden. Ich bin kein Verhaltensforscher. Ich spekuliere nur: „, betont er, „aber es erklärt, dass es Intelligenz gibt, die man nicht auf Anhieb mit unseren Konzepten vergleichen kann.“

„Der Oktopus ist ein besonderes Wirbelloses. Indem wir untersuchen, wie das Gehirn von Kraken funktioniert, können wir vielleicht neue Werkzeuge erlernen, um in unser Nervensystem einzugreifen oder unser Nervensystem besser zu verstehen“, sagt Rajewsky gegenüber GEN. Obwohl die Forscher eindeutig daran interessiert sind, dieses Tier zu untersuchen, besteht keine Gefahr, dass es sich zur nächsten Laborratte entwickelt. Sein Gehirn ist „das am weitesten entfernte Gehirn aller anderen Tiergehirne“.

Kraken sind ebenfalls schwer zu untersuchen und benötigen Aquarien. Rajewsky ist ein Systembiologe, der in der Molekularbiologie arbeitet, um die Funktionsweise von Zellen in Geweben sowie Krankheiten durch die Untersuchung molekularer Wechselwirkungen zu verstehen. „Um dies am Oktopus zu tun, kann ich nur deskriptive Studien durchführen. Ich kann keine molekularen Experimente an Oktopussen durchführen, weil ich keine Tanks mit Tieren habe.“ Außerdem müssten die vorhandenen Werkzeuge an die Biochemie des Oktopus angepasst werden. Daher sagt er: „Ich habe nicht vor, mit Oktopussen zu experimentieren.“ Stattdessen analysiert er gefrorene Gewebeproben, die von einer Meeresstation in Neapel gesammelt wurden.

Rajewsky und sein Team begannen mit der Quantifizierung der wichtigsten Modi der posttranskriptionellen Regulation in den 18 Oktopusgeweben. Sie fanden heraus, dass die A-zu-I-Bearbeitung von der miRNA-Funktion getrennt war und diese daher in keiner funktionell wichtigen Hinsicht modulierte. Konkret: „… der größte Teil dieser Bearbeitung fand in den Introns und 3-Primär-UTRs von mRNAs statt“, schrieben sie, wobei alternatives Spleißen erwartungsgemäß am höchsten in Nervengeweben war. Durch die Bearbeitung wurden die Spleißstellen selten verändert. Tatsächlich ähnelte das Transkriptom im Allgemeinen dem anderer Wirbelloser.

Die große evolutionäre Abkehr des Oktopus von anderen Wirbellosen wurde deutlich, als die Forscher miRNAs untersuchten, von denen sie wussten, dass sie an die 3'-untranslatierten Regionen (3'UTRs) gebunden sind.

Das Oktopus-Genom umfasst 138 miRNA-Familien. Beim Vergleich der miRNA von Octopus vulgaris mit der einer anderen Art, O. bimaculoides, die zuletzt vor etwa 50 Millionen Jahren einen gemeinsamen Vorfahren hatte, stellten die Forscher fest, dass 43 neue miRNA-Familien zwischen den beiden Oktopusarten und Tintenfischen vorkommen. (Untersuchungen zeigen auch, dass 12 miRNAs zwischen Tintenfisch und Nautilus geteilt werden und weitere 35 miRNAs auf die Abstammungslinie des Oktopus beschränkt sind.)

In dem Artikel wird darauf hingewiesen, dass diese miRNA-Stellen im Laufe der Evolution konserviert werden, und die Forscher vermuten, dass die Konservierung das Ergebnis einer funktionellen Interaktion zwischen der miRNA und den miRNA-Antwortelementen in bestimmten Geweben ist.

Es gibt drei Dinge, die Rajewsky aus dieser Forschung lernen möchte:

Darüber hinaus plant Rajewsky, ein Netzwerk anderer Oktopus-Wissenschaftler zu bilden, um Erkenntnisse auszutauschen.

Rajewsky war nach einem Ausflug ins kalifornische Monterey Bay Aquarium von Kraken fasziniert und wurde von einem Kraken in einem der Becken „hypnotisiert“. „Ich habe das Gefühl, dass dies ein besonderer und intelligenter Geist ist … also habe ich als Hobby über Kraken gelesen. Dann, vor drei Jahren, las ich einen Artikel, in dem es hieß, dass Kraken ein erhöhtes Maß an RNA-Editierung aufweisen – ein Mechanismus, der beim Menschen existiert, bei dem RNA... Moleküle können umprogrammiert werden, wodurch sich die Nukleotidsequenz in der RNA verändert.

„Plötzlich, dachte ich, ist der Oktopus vielleicht ein RNA-Extremophiler. Wenn sie diese Bearbeitung durchführen, machen sie vielleicht auch andere Dinge auf der Ebene der nuklearen RNA.“ Anschließend startete er ein Projekt, um besser zu verstehen, wie „sich dieses erstaunliche Tier entwickelt hat, und um vielleicht etwas Grundlegendes über die Entwicklung komplexer Gehirne und auch etwas Cooles über RNA zu erfahren.“

Was er gelernt hat, öffnet die Tür zu einem tieferen Verständnis der Rolle von miRNA bei der Entwicklung komplexer Gehirne. „Das ist eine Hypothese, die schon lange vermutet wurde“, sagt Rajewsky, und jetzt werde es klarer. „Es heißt wahrscheinlich auch, dass miRNA etwas im Gehirn bewirkt, das wir immer noch nicht verstehen.“

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